IoT 센서 기반 실시간 생육 모니터링 시스템 설계

배경

기존 스마트팜 모니터링 시스템은 클라우드 중심 아키텍처로 인해 통신 지연(latency), 인터넷 장애 시 데이터 손실, 높은 통신 비용 등의 문제가 있었습니다. 본 연구에서는 엣지 컴퓨팅과 저전력 광역 통신망(LPWAN)을 결합하여 이러한 한계를 극복하는 아키텍처를 제안합니다.

시스템 아키텍처

[센서 노드 (LoRa)] → [엣지 게이트웨이] → [클라우드 대시보드] 온도/습도/CO2 로컬 전처리/저장 집계 분석/알림 토양 EC/pH 이상 감지 (Edge AI) 일조량/풍속

센서 노드 구성

• •MCU: STM32L4 (저전력 ARM Cortex-M4)
• •통신: LoRaWAN (SF7, 915MHz)
• •배터리: 18650 리튬이온 2셀, 태양광 보조
• •측정 항목: 기온, 습도, CO₂, 토양 수분, EC, pH, 일조량

엣지 게이트웨이

Raspberry Pi 4 기반 게이트웨이에서 TensorFlow Lite 모델로 이상 탐지를 수행합니다. 클라우드 연결이 끊겨도 72시간 로컬 저장 및 알림(SMS) 발송이 가능합니다.

실증 결과

2025년 6–11월 경기도 소재 딸기 농가(1,200㎡) 에서 실증을 진행했습니다.

• •데이터 수신율: 99.2% (기존 WiFi 기반 대비 +4.3%p)
• •평균 지연 시간: 1.8초 (클라우드 전용 대비 67% 감소)
• •배터리 수명: 노드당 평균 214일 (태양광 보조 시 무기한)
• •이상 감지 정확도: 토양 과습 97.1%, 고온 장애 94.8%

향후 과제

현재 시스템은 단일 하우스 규모에서 검증되었습니다. 다동 하우스 확장 시 LoRa 주파수 충돌 문제와 엣지 게이트웨이 부하 분산이 해결 과제로 남아 있습니다.